CN116291793A - 压缩空气储能发电系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种压缩空气储能发电系统，包括：空气压缩机、第一冷却器及储存结构，第一冷却器用于冷却压缩空气，储存结构用于储存压缩空气；第一加热器及空气透平发电机，第一加热器用于加热压缩空气，空气透平发电机能够消耗压缩空气的内能而发电；斜温层储罐，具有相互连接的上部和下部，上部用于储存具有第一温度的第一热水，下部用于储存具有第二温度的第二热水，第一温度大于第二温度；冷却管路，连接上部、第一冷却器及下部，第二热水能够经冷却管路流向第一冷却器冷却压缩空气后，并经冷却管路流向上部；加热管路，连接上部、第一加热器及下部，第一热水能够经加热管路流向第一加热器加热压缩空气后，并经加热管路流向下部。

Description

压缩空气储能发电系统

技术领域

本申请涉及储能技术领域，特别是涉及一种压缩空气储能发电系统。

背景技术

压缩空气储能发电系统利用电力系统低容负荷时的多余电能将空气压缩储存在地下盐穴或地下人工硐室中，需要时再放出来，经加热后通过空气透平发电机组发电，以供尖峰负荷的需求。

目前常见的压缩空气储能发电系统包括熔盐+热水储热、导热油+热水储热和中高温水储热(高压热水+常压热水)等。而对于熔盐+热水储热及导热油+热水储热的方式，以及中高温水储热中的常压热水储罐，根据工程设计的应用，常需要设置两个热水储罐，分别用于储存不同温度的热水(如某工程设计中，储存使用热水的温度区间为60℃-90℃，60℃的热水和90℃的热水需要设置两个热水储罐)。这样，导致整个压缩空气储能发电系统的结构复杂，增加了投资成本。同时，采用两个热水储罐，散热面积较大，从而导致散热损失大。

发明内容

基于此，有必要针对传统的空气储能发电系统成本较高且散热损失较大的问题，提供一种能够降低成本且减小散热损失的压缩空气储能发电系统。

一种压缩空气储能发电系统，包括：

空气压缩机、第一冷却器及储存结构，所述空气压缩机用于将外界空气压缩形成压缩空气，所述第一冷却器用于冷却经所述空气压缩机压缩后形成的压缩空气，所述储存结构用于储存经所述第一冷却器冷却的压缩空气；

第一加热器及空气透平发电机，所述第一加热器用于加热经所述储存结构流出的压缩空气，所述空气透平发电机能够消耗经所述第一加热器加热后的压缩空气的内能而发电；

斜温层储罐，具有相互连接的上部和下部，所述上部用于储存具有第一温度的第一热水，所述下部用于储存具有第二温度的第二热水，所述第一温度大于所述第二温度；

冷却管路，连接所述上部、所述第一冷却器及所述下部，所述第二热水能够经所述冷却管路流向所述第一冷却器冷却压缩空气后，并经所述冷却管路流向所述上部；

加热管路，连接所述上部、所述第一加热器及所述下部，所述第一热水能够经所述加热管路流向所述第一加热器加热压缩空气后，并经所述加热管路流向所述下部。

上述压缩空气储能发电系统，第一温度的第一热水与第二温度的第二热水均通过斜温层储罐进行储存，相对于现有技术中两种温度的热水分别通过两个储存罐储存的情况，使得整个压缩空气储能发电系统的结构简单，减少了投资成本。同时，两种温度的热水采用同一个储罐，相对于采用两个储罐的情况，减小了散热面积，使得散热损失小，比较节能。

在其中一个实施例中，所述冷却管路与所述加热管路具有共用管路。

在其中一个实施例中，所述压缩空气储能发电系统还包括水泵，所述水泵设于所述共用管路上；

当所述压缩空气储能发电系统蓄热时，所述水泵能够提供所述第二热水经所述下部流向所述上部的流动力；当所述压缩空气储能发电系统发电时，所述水泵能够提供所述第一热水经所述上部流向所述下部的流动力。

在其中一个实施例中，所述冷却管路与所述加热管路具有第一共用管路、第二共用管路及第三共用管路，所述冷却管路还包括第一连通管路、第二连通管路及第三连通管路，所述加热管路还包括第四连通管路、第五连通管路及第六连通管路；

所述第一共用管路与所述上部连通，所述第二共用管路与所述下部连通；所述第一连通管路连通所述第二共用管路与所述第三共用管路，所述第二连通管路连通所述第三共用管路与所述第一冷却器的一端，所述第三连通管路连通所述第一冷却器的另一端与所述第一共用管路；

所述第四连通管路连通所述第一共用管路与所述第三共用管路，所述第五连通管路连通所述第三共用管路与所述第一加热器的一端，所述第六连通管路连通所述第一加热器的另一端与所述第二共用管路。

在其中一个实施例中，所述冷却管路上安装有第一阀门，所述第一阀门用于控制所述冷却管路的通断。

在其中一个实施例中，所述加热管路上安装有第二阀门，所述第二阀门用于控制所述加热管路的通断。

在其中一个实施例中，还包括第二冷却器，所述第二冷却器设于所述空气压缩机与所述第一冷却器之间，所述空气压缩机压缩形成的压缩空气经所述第二冷却器冷却后进入所述第一冷却器冷却。

在其中一个实施例中，还包括第三冷却器，所述第三冷却器设于所述第一冷却器与所述储存结构之间，所述第一冷却器冷却后的压缩空气经所述第三冷却器冷却后流向所述储存结构。

在其中一个实施例中，还包括第二加热器，所述第二加热器设于所述第一加热器与所述空气透平发电机之间，所述第二加热器用于加热经所述第一加热器后的压缩空气。

在其中一个实施例中，所述第一温度为90℃，所述第二温度为60℃。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的压缩空气储能发电系统的原理图；

图2为图1中所示的压缩空气储能发电系统处于蓄能时的原理图；

图3为图1中所示的压缩空气储能发电系统处于发电时的原理图。

附图标记说明：

100、压缩空气储能发电系统；10、空气压缩机；20、第一冷却器；30、储存结构；40、第一加热器；50、空气透平发电机；60、斜温层储罐；61、上部；62、下部；70、冷却管路；80、加热管路；90、第二冷却器；110、第三冷却器；120、第二加热器；130、第一导通管路；140、第二导通管路；150、第三阀门；160、第四阀门；170、水泵；180、第一阀门；190、第二阀门。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

在对本申请进行详细介绍之前，对本申请所用到的一些部件进行介绍。

空气压缩机，是一种用以压缩气体的设备，空气压缩机与水泵构造类似。根据物理学原理，当空气被压缩时将放出大量的热量。具体地，空气压缩机具有低压腔、中压腔和高压腔，在对外界空气进行压缩时，可以选择低压腔、中压腔和高压腔中的一种或者多种对其进行压缩。

发电机，是将流体介质中蕴含的能量转换成机械功的机器。发电机一般采用空气透平发电机，又称为涡轮，其主要利用有一定压力的气体在空气透平发电机内进行绝热膨胀做功而消耗气体本身的内能，从而使气体自身强烈地冷却发电。膨胀过程中气体温度会降低，同时将产生制冷效果。

斜温层储罐，采用斜温层储热技术，将温度较高的介质储存在储罐的上部，温度较低的介质储存在储罐的下部，温度较高的介质与温度较低的介质之间会形成一段温度梯度层(斜温层)，斜温层能够使冷热介质不直接接触，从而实现一个容器同时盛放高低温两种介质。

参阅图1，本申请提供一种压缩空气储能发电系统100，包括空气压缩机10、第一冷却器20及储存结构30，空气压缩机10用于将外界空气压缩形成压缩空气，第一冷却器20用于冷却经空气压缩机10压缩后形成的压缩空气，储存结构30用于储存经第一冷却器20冷却的压缩空气蓄能。在电力系统低容负荷时，外界空气进入空气压缩机10压缩形成压缩空气，压缩空气经第一冷却器20冷却，冷却后的压缩空气进入储存结构30储存。

在此需要说明的是，储存结构30可以为储存洞穴、盐穴、人工硐室或者高压管道等，在此不作限定。

压缩空气储能发电系统100还包括第一加热器40及空气透平发电机50，第一加热器40用于加热经储存结构30流出的压缩空气，空气透平发电机50能够消耗经第一加热器40加热后的压缩空气的内能而发电。在用电高峰时，储存于储存结构30中的压缩空气流出，并经第一加热器40加热，加热后的压缩空气进入空气透平发电机50，空气透平发电机50消耗加热后的压缩空气的内能而发电。

压缩空气储能发电系统100还包括斜温层储罐60、冷却管路70及加热管路80，斜温层储罐60具有相互连接的上部61和下部62，上部61用于储存具有第一温度的第一热水，下部62用于储存具有第二温度的第二热水，第一温度大于第二温度。冷却管路70连接上部61、第一冷却器20及下部62，第二热水能够将冷却管路70流向第一冷却器20冷却压缩空气后，并经冷却管路70流向上部61。加热管路80连接上部61、第一加热器40及下部62，第一热水能够将加热管路80流向第一加热器40加热压缩空气后，并经加热管路80流向下部62。

一个实施例中，第一温度为90℃，第二温度为60℃。当然，在另一些实施例中，对于第一温度与第二温度具体为多少不作限定。

当在电力系统低容负荷时，温度较低的第二热水从斜温层储罐60的下部62经冷却管路70到第一冷却器20，此时进入第一冷却器20的第二热水能够与进入其的压缩空气进行热交换，而使得压缩空气的温度降低。在用电高峰时，温度较高的第一热水从斜温层储罐60的上部61经加热管路80到第一加热器40，此时进入第一加热器40的第一热水能够与进入其的压缩空气进行热交换，而使得压缩空气的温度升高。

本申请提供的压缩空气储能发电系统100，第一温度的第一热水与第二温度的第二热水均通过斜温层储罐60进行储存，相对于现有技术中两种温度的热水分别通过两个储存罐储存的情况，使得整个压缩空气储能发电系统100的结构简单，减少了投资成本。同时，两种温度的热水采用同一个储罐，相对于采用两个储罐的情况，减小了散热面积，使得散热损失小，比较节能。

一实施例中，继续参阅图1，压缩空气储能发电系统100还包括第二冷却器90，第二冷却器90设于空气压缩机10与第一冷却器20之间，空气压缩机10压缩形成的压缩空气经第二冷却器90冷却后进入第一冷却器20冷却。

进一步，压缩空气储能发电系统100还包括第三冷却器110，第三冷却器110设于第一冷却器20与储存结构30之间，第一冷却器20冷却后的压缩空气经第三冷却器110冷却后流向储存结构30。

如此，空气压缩机10形成的压缩空气被第二冷却器90、第一冷却器20及第三冷却器110逐级冷却，使得压缩空气能够冷却至较低的温度进行保存，以储存更多的能量。

压缩空气储能发电系统100还包括第二加热器120，第二加热器120设于第一加热器40与空气透平发电机50之间，第二加热器120用于加热经第一加热器40加热后的压缩空气。这样，从储存结构30流出的压缩空气经过第一加热器40与第二加热器120两级加热后，再进入空气透平发电机50发电。

一个实施方式中，压缩空气储能发电系统100为熔盐+热水储热方式，压缩空气储能发电系统100还包括第一熔盐罐及第一熔盐罐，第一熔盐罐与第二熔盐罐中储存的熔盐的温度不同，且第一熔盐罐中的熔盐的温度高于第二熔盐罐中熔盐的温度。第二熔盐罐中的熔盐能够进入第二冷却器90与压缩空气进行热交换，而后进入第一熔盐罐储存。第一熔盐罐中的熔盐能够进入第二加热器120与压缩空气进入热交换，而后进入第二熔盐罐储存。

另一个具体实施方式中，压缩空气储能发电系统100为导热油+热水储热的方式，压缩空气储能发电系统100还包括第一导热油罐及第二导热油罐，第一导热油罐与第二导热油罐中储存的导热油的温度不同，且第一导热油罐中导热油的温度高于第二导热油罐中导热油的温度。第二导热油罐中的导热油能够进入第二冷却器90与压缩空气进行热交换，而后进入第一导热油罐中。第一导热油罐中的导热油能够进入第二加热器120与压缩空气进行热交换，而后进入第二导热油罐储存。

在此需要说明的是，上述空气压缩机10、第二冷却器90、第一冷却器20、第三冷却器110及储存结构30之间均通过第一导通管路130连通，储存结构30、第一加热器40、第二加热器120及空气透平发电机50之间均通过第二导通管路140连通。而为了控制压缩空气是否压缩至储存结构30中或者是否从储存结构30中流出，设置压缩空气储能发电系统100还包括第三阀门150及第四阀门160，第三阀门150设于位于第三冷却器110与储存结构30之间的第一导通管路130上，第四阀门160设于位于储存结构30与第一加热器40之间的第二导通管路140上。

一实施例中，冷却管路70与加热管路80具有共用管路，这样，能够减少管路的长度，以减少占地面积。

继续参阅图1，压缩空气储能发电系统100还包括水泵170，水泵170设于共用管路上。当压缩空气储能发电系统100蓄能时，水泵170能够提供第二热水经下部62流向上部61的流动力；当压缩空气储能发电系统100发电时，水泵170能够提供第一热水经上部61流向下部62的流动力。这样设置，通过单个水泵170即可实现第二热水从斜温层储罐60的下部62流向上部61，第一热水从斜温层储罐60的上部61流向下部62，进一步减少了占地面积。

进一步，冷却管路70与加热管路80具有第一共用管路、第二共用管路及第三共用管路，冷却管路70还包括第一连通管路、第二连通管路及第三连通管路，加热管路80还包括第四连通管路、第五连通管路及第六连通管路。第一共用管路与上部61连通，第二共用管路与下部62连通。

第一连通管路连通第二共用管路与第三共用管路，第二连通管路连通第三共用管路与第一冷却器20的一端，第三连通管路连通第一冷却器20的另一端与第一共用管路。

第四连通管路连通第一共用管路与第三共用管路，第五连通管路连通第三共用管路与第一加热器40的一端，第六连通管路连通第一加热器40的另一端与第二共用管路。

压缩空气储能发电系统100还包括第一阀门180及第二阀门190，第一阀门180用于控制冷却管路70的通断，第二阀门190用于控制加热管路80的通断。具体地，压缩空气储能发电系统100包括五个第一阀门180及五个第二阀门190，第二共用管路、第一连通管路、第二连通管路、第三连通管路及第二共用管路上均设有一个第一阀门180。第一共用管路、第四连通管路、第五连通管路、第六连通管路及第二共用管路上均设有一个第二阀门190。具体地，设于第一共用管路上的第一阀门180与第二阀门190为同一阀门，设于第二共用管路上的第一阀门180与第二阀门190也为同一阀门，上述水泵170设于第三共用管路上。

当然，在另一些实施例中，冷却管路70与加热管路80也可以分开设置，且也可以在冷却管路70与加热管路80上分别安装一水泵170，在此亦不作限定。

本申请提供的压缩空气储能发电系统100的工作原理如下：

参阅图2，在空气压缩机10储存压缩空气即蓄热过程中，第一阀门180及第三阀门150开启，第二阀门190及第四阀门160关闭。在此需要说明的是，为了使得冷却管路70导通，位于第一共用管路与第二共用管路上的阀门开启。斜温层储罐60中较低温度的第二热水从下部62引出，通过水泵170送至第一冷却器20与经空气压缩机10形成的压缩空气换热，得到温度较高的热水回流至斜温层储罐60的上部61。

在压缩空气储存阶段，斜温层储罐60处于保温运行模式，水泵170停运、空气压缩机10及空气透平发电机50停止工作。

参阅图3，在空气透平发电机50发电阶段，第一阀门180及第三阀门150关闭，第二阀门190及第四阀门160开启。在此需要说明的是，为了使得加热管路80导通，位于第一共用管路与第二共用管路上的阀门开启。斜温层储罐60中较高温度的第一热水从上部61引出，通过水泵170送至第一加热器40与经储存结构30流出的压缩空气换热，得到温度较低的热水回流至斜温层储罐60的下部62。

本申请提供的压缩空气储能发电系统100，具有以下有益效果：

1、第一温度的第一热水与第二温度的第二热水均通过斜温层储罐60进行储存，使得整个压缩空气储能发电系统100的结构简单，减少了投资成本。同时，两种温度的热水采用同一个储罐，相对于采用两个储罐的情况，减小了散热面积，使得散热损失小，比较节能。

2、单个水泵170，不但能在压缩空气储能发电系统100蓄热时提供流动力，还能在其发电时提供流动力，相对于采用两个水泵170的情况，减小了占地面积。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种压缩空气储能发电系统，其特征在于，包括：

空气压缩机(10)、第一冷却器(20)及储存结构(30)，所述空气压缩机(10)用于将外界空气压缩形成压缩空气，所述第一冷却器(20)用于冷却经所述空气压缩机(10)压缩后形成的压缩空气，所述储存结构(30)用于储存经所述第一冷却器(20)冷却的压缩空气；

第一加热器(40)及空气透平发电机(50)，所述第一加热器(40)用于加热经所述储存结构(30)流出的压缩空气，所述空气透平发电机(50)能够消耗经所述第一加热器(40)加热后的压缩空气的内能而发电；

斜温层储罐(60)，具有相互连接的上部(61)和下部(62)，所述上部(61)用于储存具有第一温度的第一热水，所述下部(62)用于储存具有第二温度的第二热水，所述第一温度大于所述第二温度；

冷却管路(70)，连接所述上部(61)、所述第一冷却器(20)及所述下部(62)，所述第二热水能够经所述冷却管路(70)流向所述第一冷却器(20)冷却压缩空气后，并经所述冷却管路(70)流向所述上部(61)；

加热管路(80)，连接所述上部(61)、所述第一加热器(40)及所述下部(62)，所述第一热水能够经所述加热管路(80)流向所述第一加热器(40)加热压缩空气后，并经所述加热管路(80)流向所述下部(62)。

2.根据权利要求1所述的压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述冷却管路(70)与所述加热管路(80)具有共用管路。

3.根据权利要求2所述的压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述压缩空气储能发电系统还包括水泵(170)，所述水泵(170)设于所述共用管路上；

当所述压缩空气储能发电系统蓄热时，所述水泵(170)能够提供所述第二热水经所述下部(62)流向所述上部(61)的流动力；当所述压缩空气储能发电系统发电时，所述水泵(170)能够提供所述第一热水经所述上部(61)流向所述下部(62)的流动力。

4.根据权利要求2所述的压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述冷却管路(70)与所述加热管路(80)具有第一共用管路、第二共用管路及第三共用管路，所述冷却管路(70)还包括第一连通管路、第二连通管路及第三连通管路，所述加热管路(80)还包括第四连通管路、第五连通管路及第六连通管路；

所述第一共用管路与所述上部(61)连通，所述第二共用管路与所述下部(62)连通；所述第一连通管路连通所述第二共用管路与所述第三共用管路，所述第二连通管路连通所述第三共用管路与所述第一冷却器(20)的一端，所述第三连通管路连通所述第一冷却器(20)的另一端与所述第一共用管路；

所述第四连通管路连通所述第一共用管路与所述第三共用管路，所述第五连通管路连通所述第三共用管路与所述第一加热器(40)的一端，所述第六连通管路连通所述第一加热器(40)的另一端与所述第二共用管路。

5.根据权利要求1所述的压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述冷却管路(70)上安装有第一阀门(180)，所述第一阀门(180)用于控制所述冷却管路(70)的通断。

6.根据权利要求1所述的压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述加热管路(80)上安装有第二阀门(190)，所述第二阀门(190)用于控制所述加热管路(80)的通断。

7.根据权利要求1所述的压缩空气储能发电系统，其特征在于，还包括第二冷却器(90)，所述第二冷却器(90)设于所述空气压缩机(10)与所述第一冷却器(20)之间，所述空气压缩机(10)压缩形成的压缩空气经所述第二冷却器(90)冷却后进入所述第一冷却器(20)冷却。

8.根据权利要求7所述的压缩空气储能发电系统，其特征在于，还包括第三冷却器(110)，所述第三冷却器(110)设于所述第一冷却器(20)与所述储存结构(30)之间，所述第一冷却器(20)冷却后的压缩空气经所述第三冷却器(110)冷却后流向所述储存结构(30)。

9.根据权利要求1所述的压缩空气储能发电系统，其特征在于，还包括第二加热器(120)，所述第二加热器(120)设于所述第一加热器(40)与所述空气透平发电机(50)之间，所述第二加热器(120)用于加热经所述第一加热器(40)后的压缩空气。

10.根据权利要求1所述的压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述第一温度为90℃，所述第二温度为60℃。

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